密閉空間內濕量擴散特性的研究

于志浩

（國內貿易工程設計研究院，北京 100000）

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密閉空間內濕量擴散特性的研究

于志浩*

（國內貿易工程設計研究院，北京 100000）

[摘 要]在冷藏過程中產生的結露現象是影響食品品質以及冷庫穩定高效運行的重要因素。研究濕量在冷藏空間下的擴散特性，對于預防結露和冷鏈物流發展具有很重要的意義。本文基于FLUENT數值模擬軟件，運用組分輸運擴散模型，對封閉環境下濕量的擴散過程進行數值模擬計算，并且通過實驗對模型進行了驗證。分析了不同的散濕位置對于濕量擴散的影響。研究成果對于后續開展預防結露等工作具有一定的意義。

[關鍵詞]濕量；冷藏空間；擴散；模擬

*于志浩（1988-），男，工程師，碩士。研究方向：制冷技術。聯系地址：北京市豐臺區右安門外大街華商科技大廈，郵編：100000。聯系電話：010-63565489。E-mail：paham@foxmail.com。

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，人們對生活品質的要求也越來越高，商物糧行業的流通速度也在不斷加快，作為現代冷鏈物流體系的重要組成部分的冷庫越來越受到重視[1-2]。冷凍和冷藏是冷鏈物流行業中必不可少的處理措施，冷藏技術的優劣直接影響冷鏈物流整個產業鏈的發展進程，結露現象廣泛存在于制冷、低溫儲存等領域[3-5]。環境中的濕空氣與冷表面接觸，如果冷表面的溫度低于濕空氣的露點溫度，空氣中的水蒸汽會在冷表面結露；如果冷表面溫度同時還低于水的三相點溫度，凝結的液滴就會發生凍結[6]。隨后，在凍結的液滴表面就會出現霜晶并逐漸形成霜層。當冷藏庫中環境溫度比露點溫度低時，空氣中的水蒸汽會結露，結露會出現在溫度較低的部位，結露后部分液滴會滴落在商品表面，由于這些水珠中呈酸性（pH值約為5）[7]。因此，滴到商品表面，既導致病菌的傳播和繁殖，還可能對商品產生酸害。要解決這個問題，需研究冷藏空間下的濕量擴散特性和濕量在空間內的擴散軌跡，了解濕量的動態分布規律，為合理的防結露措施提供基礎研究。

1 模型的建立

濕量擴散的特性研究，可以通過實驗方法進行實驗研究，結果也可以更接近實際情況，但是實驗中的諸多參數很難單一控制，并且很容易受到室外環境的影響而產生大的波動，對于分析單一因素對濕量擴散特性的影響，有較大難度[8]。相對于實驗研究，數值模擬研究作為依附于計算機發展的新技術，逐漸被科研工作者采納，本文運用FLUENT數值模擬軟件，簡化數學模型，對濕量擴散特性進行相關的數值模擬研究[9-10]。

模擬內容主要針對影響濕量擴散的因素“濕源的位置”進行相關模擬。通過控制單一變量進行對比分析了不同工況下，冷板下方貼附層的含濕量與露點溫度的變化情況，以及分析露點溫度與冷板表面溫度相交的情況。利用Gambit軟件繪制了一個(4,950×3,000×2,040) mm3的實驗空間，每一塊冷板的尺寸約為(1,000×1,650) mm2，冷板直接定義為面邊界，濕源高度300 mm，一個加濕器的加濕量為300 g/h，置于不同位置。對其網格劃分采用Hex和Submap劃分方式，網格尺寸設置為0.05 m，進而得到體網格（見圖1）。

圖1　測試空間網格劃分與冷板編號情況

邊界條件設置如下：

1）本實驗模擬采用非穩態設置；

2）湍流模型采用RNG k-ε兩方程；

3）組分輸運方程開啟species下transport and reaction模型，在混合物的選擇上采用mixture，組分設置成兩種成分水蒸汽vapor和空氣air，組分水蒸汽位于空氣之上；

4）圍護結構自定義其溫度邊界條件；

5）在自然對流的條件下，由于溫度差的存在會引起浮升力，本模擬考慮到這一問題采用boussinesq模型，并且考慮重力的作用。

2 模擬結果分析

2.1 濕源位于南側，散濕量為600 g/h的模擬結果及分析

此工況下，濕量的散濕角度為垂直向上。由圖2可以看出濕量傳播軌跡：濕量在離開濕源后沿著垂直方向向上傳播；在Z軸方向上，隨著高度的增加，當濕量到達冷板后，冷板上方的濕量也從南側向北側進行一個擴散；在冷板頂部處，5 min后有比較明顯的變化，影響區域自南向北均有波及。由圖2(b)可以看出其含濕量分布在12.4 g/kg(干空氣)～12.6 g/kg(干空氣)。

在方向Y軸方向處，隨著時間的增大，其向下傳播的范圍有所增大，含濕量數值也有增加。在80 min左右，在Y=1.5 m平面處，其含濕量維持在16.2 g/kg(干空氣)左右；在冷板頂部處，其最大值為16.5 g/kg(干空氣)，頂板處的分布自南向北逐漸減少。

圖2　濕量云圖分布

通過對其部分測點的含濕量和露點溫度變化情況進行分析，由圖3可以看出含濕量在前5 min內有了一個躍升，之后各測點維持現有的相對大小關系，進行增加，通過選取80 min時刻各個測點的含濕量分布如表1所示，其整體的含濕量分布在16 g/kg(干空氣)左右，其最大值與最小值的差值僅為0.13 g/kg(干空氣)，僅為含濕量基數的0.81％，含濕量整體分布較為均勻。結露時間由表1可以看出，均在(46～51) min的時間區間。

圖3　不同測點的含濕量以及露點溫度變化情況

表1　不同位置的結露時間

表2　不同位置的含濕量

2.2 濕源位于北側，散濕量為600 g/h的模擬結果及分析

通過分析圖4可以看出傳播的軌跡：由其出口向上傳播，向上傳播的過程中，也有少部分向南向傳播；在其到達頂板處，在冷板表面由北側向南側進行傳播；在穩定階段，在冷板頂部濕量由北向南逐漸減少，其分布區間為16.10 g/kg(干空氣)～16.30 g/kg(干空氣)。

在Y軸方向，通過分析平面Y=1.5 m可以看出，在5 min左右，其擴散的大致軌跡已經成型；隨著時間的增大，濕量逐漸從北側到南側依次增大，在20 min時，平面的含濕量分布在13.10 g/kg(干空氣)左右，在80 min時，其整體的含濕量則增加到16.0 g/kg(干空氣)左右。

圖4　濕量云圖分布

圖5為不同測點的含濕量以及露點溫度變化情況。根據測點的含濕量變化情況可知，發生的最大增幅也在前5 min，之后各個測點的含濕量保持相對穩定的速率增加；在80 min時，各個測點的含濕量均在16.0 g/kg(干空氣)左右，其最大值與最小值的差值為0.2 g/kg(干空氣)，僅為含濕量基數的1.25％，且分布較為均勻，結露時間的區間在46 min～53 min。

圖5　不同測點的含濕量以及露點溫度變化情況

2.3 濕源位于北側和南側，散濕總量為600 g/h的模擬結果及分析

此工況假設南北兩側均存在散濕源，散濕的角度均為垂直向上，散濕的強度分別為300 g/h，由圖6可以看出，通過分析Z=2.0 m平面，可以看出在5 min左右，輻射板的整個區域均已經有了明顯的變化，其含濕量達到了12.3 g/kg(干空氣)左右，其軌跡已經成型，隨著時間的增加，其含濕量逐漸增加，在最后的80 min時，其頂板的含濕量約在16.3 g/kg(干空氣)。

在Y軸方向，通過平面Y=1.5 m可以看出，此工況由于在房間北側和南側均放置了濕源，在兩者共同的加濕作用下，該平面的含濕量分布也更為均勻，在20 min后，其含濕量分布區間為(13.2～13.3) g/kg(干空氣)，在最后階段80 min左右，其含濕量在16.1 g/kg(干空氣)左右。

通過針對不同的濕源位置下的工況模擬結果分析可以看出：濕源位置的不同，各個測點的含濕量有小幅度的躍升，之后各點保持相對穩定的增加趨勢，其頂部的含濕量分布比較均勻，含濕量的最大值與最小值的差值保持在(0.1～0.2) g/kg(干空氣)左右，差值較少。這主要是由于濕源散濕在前5 min內，各個測點的水蒸汽分壓力與濕源出口處的水蒸汽分壓力差值較大，水蒸汽的擴散速率也較大，因此增幅較大，之后隨著各個測點含濕量相對穩定，水蒸汽的分壓力差值有所降低，增幅較前5 min內變小。

通過對以上3種工況的比較，可以看出其最先發生的結露時間都發生在46 min左右，這說明在冷板溫度一定、濕量一定的情況下，位置的改變對結露時間無明顯的影響。

圖6　濕量云圖分布

3 不同位置濕量擴散實驗研究

溫濕度變送器的布置，在實驗室內1.2 m和2 m的高度分別布置兩排測點，每排9個測點位于板的正下方其布置圖如下（圖7）：在2 m高度處，最北側從東向西依次為測點1、測點2、測點3，中間一排從東向西依次為測點4、測點5、測點6，最南側從東向西依次為測點7、測點8、測點9。在1.2 m高度處，測點布置位置與在2 m處一致。

3.1 濕源位于北側門口中央

此工況下，加濕器1放置于小室北側門口正中央，加濕量同樣為300 g/h，對其冷板表面溫度與其下方邊界層的露點溫度變化過程分析如圖8所示。

通過實驗數據可以看出，隨著濕源的不斷散濕，室內的含濕量逐漸增加，露點溫度受到兩者的影響，呈逐漸上升的趨勢，通過選取典型實驗數據進行分析，初始時刻的含濕量約為11.25 g/kg(干空氣)，由于受到初始動量的影響，濕源出口的濕量首先擴散達到冷板處，通過實驗數據可以看出，2 h后達到了13.70 g/kg(干空氣)，板三的相對位置位于加濕器的側后方，2 h后達到了13.04 g/kg(干空氣)，其各個測點含濕量增加的趨勢是吻合一致的。

圖7　溫濕度變送器位置圖

圖8　不同測點的含濕量以及露點溫度變化情況

3.2 數值模擬結果與實驗數據的對比分析

在實驗測試的基礎上，根據實驗測試的溫度邊界條件設定模擬的邊界條件，運用FLUENT數值模擬軟件計算空間內的流場、溫度場和濕度場。圖9為測點1至測點9的含濕量測試值與數值模擬值的對比結果。從圖中可以看出，FLUENT模擬數值與實驗測試數值各個測點的含濕量隨著時間的變化趨勢基本一致，露點溫度趨勢也基本一致。

圖9　誤差變化情況

在加濕器運行前期，模擬值與實驗測試值的誤差基本維持在-0.57 g/kg(干空氣)～0.678 g/kg(干空氣)，大部分測點的實驗值要高于模擬值，由于超聲波加濕器在釋放水蒸汽的過程中穩定性不強，以及傳感器的采集與傳輸過程也必然存在一定的誤差。測點1、測點3、測點4的誤差維持在0.03 g/kg(干空氣)～0.09 g/kg(干空氣)，最大的誤差發生在測點2，為0.39 g/kg(干空氣)左右。模擬值要普遍高于實驗值，最大誤差值發生在測點7，其誤差約為1.56 g/kg(干空氣)。

在實驗值和模擬值的對比分析可以看出，起始階段兩者的吻合型較好，在加濕器運行中后期，模擬值要普遍高于實驗值，后期的誤差存在主要由于加濕器在后期水量隨著蒸發的減少，進而散出的水蒸汽的量略有降低，總體而言誤差的水平在可以接受的范圍之內。

4 結論

本文主要針對供冷環境下濕量的擴散特性研究，運用實驗和模擬兩種手段，來進行相關的研究。對影響擴散的因素：濕源的位置進行分析之后得出以下結論。

1）在濕源強度一定的情況下，在實驗區域內，濕源位置的改變對空間頂部的含濕量分布并沒有產生很大的影響，在濕源位于北側，南側以及南北兩側，總散濕強度為600 g/h時，冷板的頂部的含濕量均由起始的11.00 g/kg(干空氣)增加至16.00 g/kg(干空氣)左右。在此空間下，雖然不同的冷板與濕源的相對位置不同，但各塊冷板表面的含濕量分布整體一致，并沒有受到濕源位置的影響。因此在冷藏環境下，散濕強度一定的情況下，在特定的空間下，濕源的位置對于冷板上方的含濕量分布影響不明顯。

2）通過對濕源散濕位置的改變，給出了逐時分布圖像顯示，并且研究了不同的濕源位置冷板下方的貼附層的含濕量以及露點溫度的變化情況，進而可以預測出結露的時間，對于后續開展預防結露等工作具有一定的意義。

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Research on Characteristics of Moisture Dispersion in Closed Space

YU Zhi-hao*
(Internal Trade Engineering Design & Research Institute,Beijing 100000,China)

[Abstract]The dewing phenomenon in the process of cold storage is the important factor that affects the food quality and the stable and efficient operation of the cold storage.The investigation on the diffusion characteristic of the moisture in the cold storage space has very vital significance of preventing condensation and the development of the cold chain logistics.In this paper,the moisture distribution process in the closed space was simulated by using the component transport diffusion model based on the FLUENT simulation software,and the model was validated by the experimental data.The effect of different moisture location on the moisture diffusion was analyzed.The research results will have great significance to the future study on condensation prevention.

[Keywords]Moisture content; Cold storage space; Diffusion; Simulation

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.109